【《汽车空调压缩机性能测试系统的硬件和软件设计案例》6900字】

汽车空调压缩机性能测试系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u22632汽车空调压缩机性能测试系统的硬件和软件设计案例 19319第1章系统硬件设计 1110041.1系统控制核心：PLC+工业组态的形式 2147711.1.1PLC模块选型 2162801.1.2工业组态选型 429411.2压缩机驱动模块设计 5296961.2.1驱动器模块选型 5263851.2.2电子膨胀阀模块选型 652511.2.3传感器选型 848411.3测试环境搭建 9295561.1.1环境舱选型 9119761.1.2智能仪表的选型 10218541.4系统网络设计 12188431.5系统电源配置 138153第2章系统软件设计 158772.1组态系统控制程序设计 15266812.1.1系统设备组建 1510092.1.2系统实时数据库设计 16103372.1.3系统用户窗口设计 1747242.1.4系统模式窗口设计 18213792.1.5系统运行设计 20169412.2PLC程序设计 2145052.2.1系统总体程序流程设计 21323282.2.2Modbus通讯协议设计 21245292.2.3空调泵驱动程序设计 22第1章系统硬件设计根据对课题要求的分析，整个测试装置由动力供给装置、空调泵运行装置、数据测量及采集装置和主控系统共四部分组成。1、动力供给装置为空调泵提供运行动力，根据空调泵的类型，分别选用调速电机及程控电源为机械室和电动室泵体提供动力源；2、空调泵运行装置需要尽可能采用实体器件搭建空调泵的运行台；3、数据测量及采集装置主要包括系统运行中的参数采集所需各种压力、温度传感器等及相关参数采集单元。其中包括2个压力传感器、7个温度传感器、1个湿度传感器、2个CAREL的涡轮流量变送器及数据采集仪；4、本主控系统以PLC+工业组态的形式为主体，辅以部分智能仪表，用来满足系统各种工况运行需要。通过8块山武SCD36数字调节器分别根据设定值与实际测量值的差值来调节冷媒的加热量以及电子膨胀阀的开度，将机组运行控制在设定工况允许的范围内。综上所述，本系统硬件方案如下图1.1所示。图1.1系统硬件结构图下面分模块对硬件系统的设计进行说明。1.1系统控制核心：PLC+工业组态的形式1.1.1PLC模块选型PLC的控制分为模拟量控制和开关量控制。是否使用模拟量模块，需要看模拟期间数据的来源，以及接入系统的方式。本系统中模拟量部分都以总线形式由智能模块引入系统，PLC不需要再单独配置模拟量模块，所以PLC部分只需选择开关量控制即可。开关量控制是根据各试验工况流程,通过控制连接DO开关量输出模块的接触器和继电器的通断,实现相应的设备启停。同时结合接入PLC的DI开关量输入模块的设备报警状态和运行状态反馈,实现设备保护和各执行系统的综合协调控制功能。为了适应各种被试压缩机的不同需求,PLC程序中预留了相应的变量接口。针对不同的样机,只需在触摸屏中输入不同的设定值,无需修改程序和硬件。控制系统接线简单明了,控制逻辑清楚,易于实现故障的排查,方便快速地适应不同型号被试机的试验。PLC的通讯部分与整个系统的通讯部分融为一体，采用MODBUS-RTU协议，使用PLC的自带的编程口与上位机进行相连，给PLC配置PPI电缆，可选择S7-200的基础型，根据需要，可再添加扩展模块。配备PPI电缆后就不需要额外配置通讯模块，可节省成本。本系统中需要控制的I/O点数不多，所以为节约系统成本选择西门子S7-200系列CPU224AC/DC/继电器式主机，该主机特性为：24V直流电源供电，14点输入，10点输出，CPU不包含模拟量模块。系统的输出点数较少，为此需要单独为它配置8点的I/O输出模块EM222。表1.1输入输出功能分配表输入地址功能I0.3水流开关I0.4压机舱低压保护I0.5冷凝舱低压保护I0.6冷凝舱高压保护I0.7蒸发舱低压保护I1.0蒸发舱高压保护续表1.1输入地址功能Q0.0冷却循环泵Q0.1主变频器供电Q0.2压机舱压缩机启停Q0.4除湿加热启停Q0.5压机舱风机高速Q0.6压机舱风机中速Q0.7压机舱风机低速Q1.0冷凝舱压缩机启停Q1.1冷凝舱冷凝风机供电Q2.0冷凝舱冷凝风机启停Q2.1冷凝舱风机Q2.2蒸发舱压缩机启停Q2.3蒸发舱风机启停PLC模块的电路图如图1.2所示。图1.2系统电路图1.1.2工业组态选型本系统的人机界面选用昆仑通态的工业平板TPC1061Ti及昆仑通态公司专门开发的MCGS嵌入版组态软件，其优点为：便宜，国产纯中文版，方便工人使用。工业平板实物图如图1.3所示。图1.3工业平板实物图该平板自带RS232、RS485、USB及以太网线接口，便于各种用户数据的接入。组态在本系统中负责主要负责数据的采集、监测和处理。组态软件与相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。如可以灵活监控各种智能仪表、数据采集模块、无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。1.2压缩机驱动模块设计1.2.1驱动器模块选型测试的汽车空调压缩机主要有两种驱动方式：一种是汽车中发动机通过传动皮带拖动空调压缩机，实验装置上需配置电动机代替发动机的作用，电动机和空调压缩机间通过皮带联结。另一种是电动汽车上使用车载电池驱动的空调压缩机，实验装置上需配置直流电源驱动此类空调压缩机。一种动力驱动方式是汽车发动机通过传动结构驱动空调发电机从动轮进行发电，在实际测试可以将发动机转子动力代替为外接电动机，电动机与空调压缩机作为主从皮带结构柔性连接。另一种实现方式是将电动汽车车载供电进行电源转换，并直接给自带直流电源驱动空调压缩机工作。测试中压缩机的驱动采取第一种机械驱动的方式，即压缩机的动力源由外界提供。在驱动过程中设置相应的扭矩传感器、转速传感器等对数据进行测量，用来计算压缩机的工作功率。对空调压缩机来说，转速每增加1000rpm，其负荷会增加800W，根据测试要求，最高转速达到8000rpm，则负荷会达到6.4KW。针对机械驱动的要求，有两种方案可选择，一种是伺服电机驱动方案，其优点在于控制精准，转速、转矩可调，但实现成本高。另一种方案是变频电机驱动，其特点为控制简单，且实现成本低，在目前市场上被大量采用。因此，在本系统中选用变频电机驱动方案。考虑到传动效率，选用10KW的普通三相异步交流电机，搭配18KW的控制器进行使用。变频器选用上海众辰电子科技有限公司的H3000系列的H3400A0018K通用型恒转矩变频器。该设备的输入电压等级为三相AC380V，变频器容量为18KW，支持Modbus协议。1.2.2电子膨胀阀模块选型电子膨胀阀是一种针对制冷剂流量的节流元件，可按设定程序进入制冷装置。通常所说的电子膨胀阀大多仅指执行器，即可控驱动装置和阀体，实际上仅有这一部分是无法完成控制功能的。电子膨胀阀控制器的核心硬件为单片机，如控制器同时要完成压缩机及风机的变频等控制功能。电子膨胀阀的传感器通常采用热电偶或热电阻。电子膨胀阀的控制过程为调节进入蒸发器的制冷剂流量，控制目标过热度，从而保证系统经济稳定运行。它作为电子控制元件，最大特点就是流量调节的及时性，其响应压缩机排量改变是及时的，因此它具有精度高，动作快速、准确、节能效果明显等优点，并能够与其它智能控制方法相结合，在制冷系统中的运用，以实现系统的优化控制。为尽量还原压缩机的实车运行工况，使用与实车管路口径一致的管路，因此对电子膨胀阀阀体的工艺要求如下。1、阀口公称口径为φ2.2；2、适用环境温度：-30°C~60°C(通电率50%以下)；3、适用环境湿度：95%RH以下；4、适用流体温度：-30°C~70°C(通电率50%以下)；5、电源：d.c12V士10%(矩形波,通电率50%以下)；6、使用压力：0~2.2MPa；7、最大动作压差：1.5MPa。电子膨胀阀控制器需要与电子膨胀阀配套使用，能根据环境负荷的动态变化自动调整阀的开度，使冷冻系统达到最佳运行状态。其特点如下。1、采用先进PID算法，确保过热度精确自动调节；2、适用于多种常见的制冷剂；(R22,R134a,R404a,R407c,R410a,R717,R23);3、快速-安全的过热度保护确保系统在不同工况下正常运行；4、小巧精致，滑轨设计，便于安装；5、节能高效，制冷剂流量优化控制，使蒸发器使用率最高效。图1.4电子膨胀阀控制器1.2.3传感器选型1、温度传感器在本系统中所需要测量的温度有蒸发温度、蒸发环境温度、蒸发环境湿度、压机环境温度、冷凝环境温度、排气温度，冷凝温度，温度变化范围在-19.5℃~100℃之间。为了便于维修，所有测温元件都选用K型热电偶。K型热电偶作为一种温度传感器，目前用量最大且成本低廉，其测量范围为-200℃~1300℃，所需测量的温度区间在其测量范围的下半部三分之一处，在该区域热电偶线性度好，灵敏度高。2、扭矩转速变送器本系统中转矩和转速都在电机输出端进行测量，故选用转矩转速一体的传感器ZS-2A。该传感器的信号输出形式可选择脉冲方波或4~20mA、1~5V等标准信号；具有检测精度高、体积小、稳定性好、抗干扰性强的特点；器件再测量过程中无需反复调零，可实现正反扭矩测量；系统供电电源为24VDC。其基本技术规格为如下。1、仪表电源：12~30VDC,最大耗电：2W；2、脉冲输入信号：各种NPN、PNP、OC门输出的传感器信号，旋转编码器；3、测量频率：转速脉冲输入0.2Hz～20KHz；扭矩脉冲输入5KHz～15KHz，可扩展至1HZ~60KHZ；4、可通过面板矫正传感器的非线性误差。带折线修正功能；5、测量速度：每秒30次~50次，可根据需要短路内部排针提高测量速度，提速后速度为150次/秒；6、通讯接口：RS485。实物图如图1.5所示。图1.5扭矩转速变送器实物图3、压力传感器测试要求中，吸气回路压力传感器的测量范围在0.1Mpa~0.44Mpa，排气回路压力传感器的测量范围在1.27Mpa~2.65Mpa。因此吸气回路压力传感器选择工作压力范围在0~2Mpa，吸气回路压力传感器选择工作压力范围在0~2.6Mpa。电源电压为DC(5+0.25)V；输出电压为DC（0.5~1.5)V；综合精度为+2.0%FS(-30°C~85°C)，在DC5V下；工作环境温度为-30°C~80°C；流体温度为-30°C~120°C；接线方法:Vcc-红色；Vout-白色；GND-黑色。1.3测试环境搭建1.1.1环境舱选型针对空调的工作情况，分别为压缩机本体，冷凝器，蒸发器搭建三个独立的实验环境舱，并设置相应的传感器和控制器，来监控压缩机的工作情况。压缩机体积较小，其环境舱可用0.6m3的高低温箱来实现；冷凝器、蒸发器要模拟实际工作环境，所以需要选用2个空间为5m3的环境舱，环境舱的温度控制采用工业空调加电辅热的形式。不采用家用空调的原因是价格偏贵，且制冷量达不到要求。图1.6工业空调实物图为了降低设备成本，可将制冷系统和制热系统进行分开控制。因为要求的温度变化范围不大，在-19.5℃~100℃之间。因此冷凝部分采用成熟的工业智能空调，升温部分采用加热器。1.1.2智能仪表的选型对三个环境舱的温湿度和管路中的压力控制，均采用智能仪表进行调节，以简化设备构成中对温箱控制算法的设计。图1.7山武温控仪表示意图选用山武温控仪表SDC36来控制系统，SDC36为带面板的调节器，其特点如下。1、显示部大，可视性好；2、实现了±0.1％FS的高精度、采样周期0.1s；3、输入种类有热电偶、热电阻、电流信号、电压信号；4、控制输出种类有继电器输出、SSR驱动用电压脉冲输出、电流输出、连续电压输出；5、ON/OFF控制采用固定PID控制；6、在PID控制基础上，备有Ra-PID(RationalLOOP)及Just-FiTTER两种算法，控制性优越；7、标准配置有计算机编程器端口。用编程器可简单地设定。在与Modbus的通讯中，可选型号带RS-485通讯的场合，使用客户制作的程序，可以与计算机或者PLC等上位机器通讯；如要进行Modbus通讯，必须进行以下设定。图1.8Modbus通讯设置制冷量大小由风扇风量决定，制热量由温控仪表决定。制冷数据由温度变送器经Modbus总线送到组态，加热数据由山武数字调节器经Modbus总线送到组态，其中冷凝舱电气原理图如下图1.9所示。图1.9冷凝舱电气图1.4系统网络设计本系统的数据传输采用常用的工业总线，如以RS-485为基础的Modbus协议。485在工业网络中应用广泛，通讯可靠性高，Modbus协议简单，在前期的选型中刻意选择有Modbus通讯协议功能的元件，所以本系统网络数据格式采用Modbus协议，物理层采用485通讯网络。市面上绝大部分工控设备以及相关仪表都支持Modbus协议，且支持范围广泛，因此采用这种架构比较合适。系统网络连接如下图1.10所示。图1.10系统网络连接图1.5系统电源配置本测试实验台的总体供电为三相四线制的380V市电网络，在设备使用过程中，基于传感器及相关控制部件对电源的需求，除了为系统配置工业上常用的24V电源外，还配备有12V，15V电源。考虑到设备在以后使用过程中的兼容性，设备为电驱动空调泵增加一路程控电源，程控电源为0~32V，500W。系统电源配置电气图如下图1.11所示。图1.11系统电源配置电气图第2章系统软件设计系统软件设计分为两部分：PLC的执行控制以及基于组态的系统监控程序。因为本系统在设备组成中大量采用智能仪表，使得系统中需要额外控制的部分仅为各个设备的启停控制，大大简化了PLC的程序设计工作。组态软件在系统中负责实验台的测试工况设置、实时数据显示及测试数据存储。2.1组态系统控制程序设计2.1.1系统设备组建根据系统硬件组成，接入设备组态的有西门子S7-200系列PLC、昆仑通态的工业平板、交流电机、变频器H3400A0018K、各类传感器、电子膨胀阀及山武SCD36数字调节器，根据需要在设备窗口添加设备，如图2.1所示：图2.1添加设备为了使添加进来的设备能够实现与组态的数据连接，还需要对设备进行属性设置，以西门子S7-200设备为例，西门子S7-200与组态之间采用PPI电缆连接，所以选型时选用西门子-S7200PPI，设备地址设为5，其设备属性设置如图2.2所示。图2.2设备属性设置2.1.2系统实时数据库设计组态的实时数据库用于实现各个部分协调动作。本系统中可该数据库的数据项包含两部分，一种是开关型数据，一种是数值型数据。开关型数据有测试的控制信号及设备的状态信号提供，如设备的启停控制由启停测试项来控制启停的状态，反馈由测试启动=1来反馈；数值型数据主要为系统运行，运行过程中所监控的数据项，如环境温度、冷凝舱温度、冷凝温度、排气温度、排气压力等。部分系统数据库设计如下图2.3所示。图2.3系统数据库设计图（部分）系统数据库中涉及的变量除了添加数据项外，在使用中还需要为其配备相关属性。以扭矩变量为例，扭矩变量在系统中用于记录了据传感器所提供的相关数据，将扭矩设置为数值量输出，数据对齐方式为向中对齐，数据显示格式为整数位4位，小数位1位，动画组态属性设置如下图2.4所示。图2.4动画组态属性设置其他各项数据均需做类似设置。2.1.3系统用户窗口设计在组态过程中主要用于设备运行过程中，人际交互，所以凡是需要表述的信息，均需通过用户窗口的形式进行设置，本系统中测试系统的八种工作模式及系统运行的参数配置、实时特性曲线显示、系统故障及报警信息的记录与查询等，秩序安排单独的用户窗口。本系统的用户窗口设置如图2.5所示。图2.5用户窗口设置为系统运行设置一个主控窗口，主要用于各系统模式选择及各数据项查看的链接，主控窗口设置如图所示。界面主体为各个工作模式的选择按钮，在按钮下设置各个工作模式介绍的文本显示区域，将参数设置、环境控制、温度、压力等需要查看的实时曲线的窗口链接按钮布置在屏幕右侧。图2.6主控窗口设置下面以模式一为例，进行相关属性的设置，如图2.7所示。图2.7模式一相关属性设置对模式一的说明：转速：4500rpm；吸气压力：0.28Mpa；排气压力：1.5Mpa；吸合次数：1000次；电压：12V/24V(以额定电压为准)。2.1.4系统模式窗口设计模式窗口主要对测试系统的各个工作模式做针对性设置，针对系统实际组态情况，对系统进行搭建，并且放置相关的数据监控项。模式画面的主体为压缩机系统工作状况的动画展示，将系统中被监测的相关数据项置于实际被检测物体旁边，便于直接观察，一些不便于安置的数据项，通过导引箭头指向被测物体。在数据显示上，采用数值+图表的双重形式更加直观地对系统的工作状态进行实时显示。模式一的启动和相关工作参数置于画面左侧，并在画面右下角按使用习惯设置主控画面的返回链接。其窗口设置如图2.8所示。图2.8模式窗口设计系统中显示的数据对象来源于系统实时数据库，同样以扭矩对象为例，对其进行相关的数据对象属性设置，如图2.9所示。图2.9数据对象属性设置2.1.5系统运行设计根据测试要求，在主控画面需要设置8种性能测试工况，如图2.10所示。图2.108种工况设置2.2PLC程序设计2.2.1系统总体程序流程设计在本系统中，PLC负责各个组件的控制，依据组态设置参数及系统运行模式控制系统中各个部件的运行状况，PLC需要控制的部件有空调泵、压机舱环境、冷凝舱环境、蒸发舱环境等。系统各个运行参数来源于组态。在系统中PLC需对系统初始化等待组态发过来的组态运行条件，依据运行条件，分别对空调泵的驱动系统、空调泵的冷却情况、压机舱、冷凝舱、蒸发舱三个舱的温度进行相关设置和监控。系统总体程序流程如图2.11所示。图2.11系统总体程序流程图2.2.2Modbus通讯协议设计由于各个部件的数据都通过Modbus总线由组态窗口进行相关设置，所以系统初始化的主要工作就是系统的网络设置，在本系统中，PLC处于从站地位，Modbus主站设备将地址映射到正确功能，Modbus从站指令支持以下地址：00001至00128是实际输出，对应于Q0.0--Q15.7；10001至1